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對抗地震的智能建築
2009-04-03 21:39:07
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  凱文•鮑瑟

  與許多自然界的毀滅性力量不同,地震幾乎總是在沒有預兆的情況下來襲。這些極具破壞性的力量可以在幾秒鐘內摧毀整座城市,留下一片瓦礫和災難。雖然大部分地震都只是微小的震動,但是只要發生一次大地震就足以導致巨大的財產損失和成千上萬人死亡。

  在位于北卡羅來納州卡雷的洛德公司實驗室中,研究人員認為,他們已經和聖母大學的同行共同開發出了一種新產品──磁流變流體(MR流體),能夠有效減少地震造成的損害。洛德公司則是它的最大生產商之一。作為液體的MR流體,當受到磁力作用時會變成近似固體,磁力消失後再恢複為液體。如果將該物質用于大型減震器內部,在發生地震期間可使建築物保持穩定。

  看上去,MR流體貌不驚人,灰色,粘稠油狀,並不像任何具有革新意義的物質。但它的密度相當于水的近四倍。在發生作用時,這不起眼的物質的表現確實相當令人稱奇。一位名叫大衛•卡爾森的物理學家通過一個簡單演示來証明了這點──使它能夠在幾毫秒內從液體轉變為固體。他將該液體倒入燒杯中,接著用一支鉛筆對其進行攪拌,表明它是液體。然後將一塊磁鐵放到燒杯底部,幾毫秒內,該液體變成了近固體狀。他將燒杯口朝下握住,沒有任何MR流體滴出。

  那麼,是什麼賦予了MR流體本身這種獨特的性能,轉瞬間實現液體和固體之間的互變呢?答案聚焦到了羰基鐵粒子上。在將液體磁化後,由于直流電磁場的作用,這些微粒被限定于統一的極性,呈線狀排列,使得液體變硬成為固體。不難理解,物質的堅硬程度取決于磁場的強度。取走磁鐵,這些粒子立刻就會分離開來。

  將目光聚焦在MR流體減震器的內部,我們可以看到,電磁線圈纏繞在柱塞的三個部分周圍,而填滿該減震器主腔大約要用5公升的MR流體。在發生地震期間,連接在建築物上的傳感器會向計算機發送信號,為減震器充電,線圈隨之產生磁性,將MR流體從液體轉變為近固體。隨後,當地震波通過建築物時,電磁鐵將很可能產生脈衝磁場。這種震動將導致MR流體每秒進行數千次的從液體到固體的轉換,並且可能導致液體溫度升高。所以,在減震器外殼頂端,還會固定有熱膨脹緩衝器,以緩衝由于溫度突升而導致的液體膨脹,防止壓力上升帶來的危險。

  事實上,減震器離我們的生活並不遙遠,日常生活中的汽車、洗衣機、健身器材、高級假肢等其中很可能就使用了這種設備。只是建築物中的減震系統要大得多,而且是專門用來吸收地震帶來的強烈震動。根據建築物的規模,可能會有幾百個減震器組成的陣列。每個減震器將放置在地面上,並固定在已焊接到鋼制橫梁的V字形支架上。當建築物開始震動時,減震器也相應地來回移動,補償由于地震而產生的振動。當MR流體被磁化後,它就會增加減震器能夠施加的作用力。

  由于摩天大樓和長跨度橋梁易于受到狂風和地震活動所產生共振的影響,如果沒有安裝大型減震器來幹擾共振波,建築物和橋梁可能會由于振動而發生倒塌,這樣的場景對很多人並不陌生。安裝有MR液體的減震器的智能建築便可自動應對地震活動──地震期間,當震動作用激活減震器內部的磁力時,MR流體瞬時從液體變為固體,像不倒翁一般“隨震搖擺”。

  (本文由博聞網(www.bowen-wang.com.cn)提供中文版權)


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